大数据环境下数学实验综合体系建设与改革探索

罗跃逸，袁修贵，朱小玉（.中南大学数学与统计学院，长沙 40083；.中南大学信息科学与工程学院，长沙　40083）

大数据环境下数学实验综合体系建设与改革探索

罗跃逸1，袁修贵1，朱小玉2
（1.中南大学数学与统计学院，长沙 410083；2.中南大学信息科学与工程学院，长沙410083）

0　引言

随着移动互联网的崛起，全球数据呈爆炸性增长。目前全球90%以上的数据是近几年产生的，数据规模大约每两年翻一番，人类已进入信息化和大数据时代。为推动大数据的学科发展，2009年，联合国启动“全球脉动计划”，借大数据推动落后地区发展。2011年以来，中国计算机学会、中国通信学会先后成立了大数据委员会，研究大数据中的科学与工程问题，科技部的《中国云科技发展“十二五”专项规划》把大数据技术作为一项重点予以支持。对于大数据的收集、处理、分析，以及大数据的科学研究和人才培养已经成为政府统计和高等统计教育工作面临的重要课题［1-2］，传统的教学内容和研究方法已不能完全适应新形势下数学学科建设的需要［3］。针对大数据在现今各领域中的重要性以及它所带来的诸多问题和挑战，则应该从高校课程设置的层面作考虑，建立并完善适应时代发展的人才培养体系。现在，美国的高校已经开设相关课程，例如，大数据分析统计基础、大数据分布式计算、大数据挖掘和机器学习等。国内一些高校也正在尝试开设大数据课程［4］，帮助学生了解大数据，学习大数据分析。大数据是一门综合多学科专业知识、密切联系市场实际的交叉学科，学生不仅要对分布式计算、数据库技术、网络技术等计算机专业知识有较深入的理解和掌握，还需要大数据背景下数据的管理、分析与挖掘的技能与方法的研究技能，需要数学、统计、计算机技术的结合。因此，在大数据背景下的数学实验综合体系的研究、建立与完善是十分有必要的，是信息技术发展的需要。

1　数学实验体系的教学现状

在大数据背景下，数学学科的实验教学面临了严峻的挑战。传统的数学实验课程已经不能满足大数据时代的需求，存在如下问题：

（1）数学类专业理论课的教学中，理论教学课时占比偏重，实验教学课时占比较轻。传统的实验教学课程主要包含过程演示和理论验证这两类的实验，实验设计脱离社会人才需求，学生兴趣不足，导致实验教学无法实现人才培养的预期目标。

（2）在高校的教学课程里，呈碎片化的实验教学贯穿其中，容易对学生连贯的获取整合知识造成不良影响。数学类专业学生不能只具备理论证明的能力，也需要拥有数据存储、处理及分析能力。传统的实验教学影响学生综合能力的培养，导致教学效果不理想。

（3）实验指导教师在大数据课程的实践教学方面缺乏经验，不能及时更新实验课程并指导学生整合知识结构，数学类专业与社会实际需求结合不够紧密，在实验教学的实践环节中缺少联合实际的工程实践课程设计，数学实验教学体系中缺乏从上到下、综合有效的控制手段。

2　大数据背景下的数学实验课程建设探讨

大数据具有体量巨大、速度极快、类型众多、价值巨大的特点，对数据采集、分析、管理、存储提出了前所未有的新要求。目前大多数高校通过信息化建设，已经具备了良好的软、硬件条件，但同时存在服务器大量闲置的问题。因此，如果能在现有服务器上直接进行大数据数学实验资源共享平台建设，既可以实现网络教育，又能让原本闲置的服务器重新盘活、充分利用，可谓一举多得。

围绕数学类专业特点设计实验教学内容，转变教育观念，改革教学方法，调整和重构课程体系，瞄准社会人才需求，结合数学类专业的人才培养目标和特点，将数学类专业实践教学课程分为数学理论、计算机应用、大数据统计分析三类实验课程，不断探索改革实验教学内容和实验手段，从而使实验课程体系更加优化，更加有利于培养适合企业需要的计算机应用型高级人才。

（1）数学理论

数学理论实验环节针对数学理论与实践结合不够紧密的问题，设计与数学类各专业理论课程相匹配的实验教学课程，包括数值分析、理论建模、最优化方法、微分方程数值解、数据仓库等课程。数学理论实验环节针对实验课程占比偏轻的问题，设计与理论课程联系紧密的实验教学课程，学生经由实验教学来温习并巩固理论知识，促使学生真正融合知识与技能，培养独立学习意识，结合数学理论和实践技能解决实际生活中的问题。

（2）计算机应用

计算机应用实验环节针对实践教学对专业素质专注不足的问题，设计拓展专业素质的实验教学课程，对数学理论的深度掌握提供便利。实验内容主要包含一些计算数学与计算机技术课程的综合实验，如数据分析、数据结构、数据安全、面向对象程序设计等课程。开设计算机应用课程的目的是通过计算机程序来验证学习的数学理论知识，提高学生的动手能力和创新能力，提升学生的计算机应用技能和解决实际问题的水平。

（3）大数据统计分析

大数据统计分析实验环节精准定位到数据分析，设计提高大数据分析能力的实验课程，包括MapReduce、Hadoop+HDFS、NoSQL、数据分析、数据挖掘等课程，是对计算应用类实验环节的提升。基于大数据技术构建数据存储、管理、分析、共享的数学实验教学平台，综合利用应用统计理论与方法，精心设计实验内容，为学生提供开放实验平台，通过实践强化对大数据分析的能力，全面培养学生实验技能以及综合分析、发现和解决问题的能力。

3　数学实验综合体系建设方案

围绕数学类专业特点设计实验教学内容，结合科研和行业前沿，建设促进人才培养的数学实验综合体系，其中主要包括核心功能系统、保障系统和支撑系统三部分，为高校提供实验资源管理与共享服务，图1为数学实验综合体系建设方案。

图1　数学实验综合体系建设方案

（1）支撑系统

大数据平台是数学实验综合体系的支撑系统，在实验过程中，光有实验数据往往是不行的，还应该有便捷的数据处理过程。结合现有的大数据处理技术，如Hadoop、HBase等开源技术，构建基于网络技术的开放大数据实验平台，为海量数据的快速处理提供支撑。

（2）保障系统

保障系统包括数据存储平台、数据管理平台、数据分析平台以及共享服务平台。基于大数据平台搭建实验资源存储、管理、分析、共享体系，为核心功能系统提供支持。基于大数据的保障系统。从数据存储到数据共享，系统将利用信息技术的便捷性实现存储数据更多、类型更多且分析更准的大数据平台，对实验资源进行计算、处理及分析，从而充分发挥大数据在实验资源管理中的重要作用。

（3）核心功能系统

数学实验综合体系是实现以实验资源为主要内容的网络资源共享与管理服务的体系架构、网络设施和运营环境。实验资源主要包括采集的实验数据以及设计的实验实例库。核心功能系统通过采集数学专业相关的实验数据，如海量的金融数据、数据图像数据等资源库，利用网络化与信息化建设整合优质教学资源，实现优质教学资源共享。经由校园网，向不同类型的用户以同步或异步的方式发布、共享并管理实验资源，为高校的实验管理与共享提供服务。

4　结语

本文简要分析大数据对数学类专业提出的新的要求，探讨了现有的数学类专业实验存在的问题，并结合大数据提出了大数据背景下的数学实验课程改革和创新内容，结合大数据技术提出构建基于大数据技术的数学实验综合体系。

［1］孟小峰，慈祥.大数据管理：概念、技术与挑战［J］.计算机研究与发展，2013，50（1）：146-169.

［2］李国杰，程学旗.大数据研究：未来科技及经济社会发展的重大战略领域——大数据的研究现状与科学思考［J］.中国科学院院刊，2012，27（6）.

［3］黄介武.浅析大数据环境下的统计学课程教学［J］.课程教育研究，2014，（22）：235-235.

［4］李鸿健.大数据时代计算机专业实验教学改革研究［J］.现代计算机：专业版，2013，（13）：29-31.

Big Data；Mathematical Environment；Reformation Plan

The Comprehensive Mathematical Experimental System Construction and Reformation in Big Data Environment

LUO Yue-yi1，YUAN Xiu-gui1，ZHU Xiao-yu2
（1.Department of Mathematics and Statistics，Central South University，Changsha 410083；
2.Department of Information Science and Engineering，Central South University，Changsha 410083）

1007-1423（2015）23-0065-03

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.23.016

罗跃逸（1986-），男，广西柳州人，博士研究生，实验师，研究方向为软件工程与信息系统、网络资源管理与服务

袁修贵（1964-），男，湖北蓟春人，教授，研究方向为最优化算法

2015-08-01

2015-08-10

社会已进入信息化和大数据时代，为适应大数据时代的变革，针对大数据对数学实验体系建设的要求，对大数据时代下数学类专业的实验课程建设改革进行探索，并基于大数据技术提出一种数学实验综合体系建设方案。

大数据；数学实验；改革方案

朱小玉（1989-2），女，湖北广水人，博士研究生，研究方向为云计算安全与隐私保护

Society has entered the era of information and big data.In order to adapt to the change of the ig data era，explores the experimental courses construction and reformation plan of the mathematics specialty，which regards to the needs of big data to mathematical experimental system construction，then comes up with a comprehensive mathematical experimental construction plan.